Von Wasserstoff zu Helium: Der CNO-Zyklus

Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus oder CNO-Zyklus fusioniert Wasserstoff zu Helium und tritt vor allem in massereichen Sternen auf.

Künstlerische Darstellung eines Exoplaneten vor dem Stern HD 189733A als Symbolbild. | Foto: ESA/Hubble

Genau wie bei der pp-Kette werden durch den CNO-Zyklus insgesamt vier Wasserstoffkerne (Protonen) zu einem Heliumkern (je zwei Protonen und Neutronen) fusioniert.

Im Gegensatz zur pp-Kette handelt es sich dabei nicht um eine einmalig ablaufende Kette von Reaktionen, sondern um einen zyklischen Prozess – sobald er abgeschlossen ist, startet der nächste Durchlauf.

Wichtig ist, dass beim CNO-Zyklus ein Kohlenstoffkern als Katalysator dient. Er wird bei der Fusion mit freien Wasserstoffkernen zu anderen Elementen umgewandelt, geht aber am Ende unverändert aus dem Zyklus-Durchlauf hervor.

Wie der CNO-Zyklus abläuft

Die grafische Veranschaulichung bietet einen kurzen Überblick über einen einzelnen Durchlauf. Gestartet wird der Zyklus bei $^{12}\mathrm{C}$ oben in der Mitte.

Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus oder CNO-Zyklus grafisch veranschaulicht — Die Grafik zeigt, wie ein Kohlenstoffkern nach und nach mit Protonen kollidiert, sich dabei in andere Elemente umwandelt und letztendlich einen Heliumkern abspaltet.

Besitzt ein Kohlenstoffkern insgesamt 12 Nukleonen, also Protonen und Neutronen, spricht man von Kohlenstoff-12. Bei der Fusion eines solchen Kohlenstoff-12-Kerns mit einem Wasserstoffkern entsteht ein Stickstoff-Kern. Mit dem hinzugekommenen Proton weist der Kern ein weiteres Nukleon auf, weswegen es sich um das Isotop Stickstoff-13 handelt.

Diese Reaktion setzt ein Gammaquant $\mathrm{\gamma}$ frei und lässt sich mit $$^{12}\mathrm{C} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{13}\mathrm{N} + \mathrm{\gamma} + 1,95 MeV$$ beschreiben. Aufgrund seiner Instabilität zerfällt der Stickstoff-13-Kern zu einem Kohlenstoff-13-Kern. Dabei wird ein Proton zu einem Neutron umgewandelt, ein Vorgang, bei dem neben einem Positron $\mathrm{e}^+$ auch ein Elektron-Neutrino $\mathrm{\nu}_e$ freigesetzt wird: $$^{13}\mathrm{N} \rightarrow{} ^{13}\mathrm{C} + \mathrm{e}^+ + \mathrm{\nu}_e + 1,37 MeV$$

Der entstandene Kohlenstoff-13-Kern kollidiert mit einem zweiten Wasserstoffkern und setzt erneut Gammastrahlung frei, das Ergebnis ist Stickstoff-14. $$^{13}\mathrm{C} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{14}\mathrm{N} + \mathrm{\gamma} + 7,54 MeV$$

Dieser Vorgang, also die Fusion mit einem Wasserstoffkern, wiederholt sich ein weiteres Mal. Unter erneuter Emission eines Gammaquants wird aus dem Stickstoff-14-Kern schließlich Sauerstoff-15. $$^{14}\mathrm{N} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{15}\mathrm{O} + \mathrm{\gamma} + 7,35 MeV$$

Allerdings handelt es sich bei Sauerstoff-15 um ein instabiles Isotop, sodass es genau wie beim Stickstoff-13-Kern zum Zerfall kommt. Nach dem Zerfall, bei dem abermals ein Positron und ein Elektron-Neutrino entstehen, liegt Stickstoff-15 vor. $$^{15}\mathrm{O} \rightarrow{} ^{15}\mathrm{N} + \mathrm{e}^+ + \mathrm{\nu}_e + 1,86 MeV$$

Im letzten Schritt des Durchlaufs wird das eigentliche Helium gewonnen. Der Stickstoff-15-Kern fusioniert mit einem vierten Wasserstoffkern. Im Gegensatz zu den vorherigen Reaktionen mit einem Proton wird dabei keine Gammastrahlung emittiert. Stattdessen zerfällt das Gebilde in einen Kohlenstoffkern und einen Heliumkern $^4\mathrm{He}$. $$^{15}\mathrm{N} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{12}\mathrm{C} + ^4\mathrm{He} + 4,96 MeV$$

Zum Schluss liegen also ein Kohlenstoff-12-Kern und ein abgespalteter Helium-4-Kern vor, womit der Durchlauf beendet ist und der Kohlenstoff für die nächsten Zyklen bereitsteht.

Unmittelbar nach dem Urknall existierte noch kein Kohlenstoff. Er musste erst in den frühen Sternen fusioniert und in Supernova-Explosionen freigesetzt werden.